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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(Gebiet der Erfindung)
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidum-Durchsatz-Messanordnung, wie
sie an Orten verwendet wird, bei denen das Messen einer Durchflussrate
bzw. eines Durchsatzes eines Fluidums wie z. B. Luft in einer Motorsteuereinrichtung
in einem Motorfahrzeug oder einem Klimatisierungsapparat erforderlich
ist.
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(Beschreibung des Standes der Technik)
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13 ist
eine fragmentarische Schnittansicht einer konventionellen Fluidum-Durchsatz-Messanordnung,
wie sie in der
japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-326003(1999) offenbart
ist. Die konventionelle Fluidum-Durchsatz-Messanordnung schließt ein Siliziumsubstrat
101 ein,
einen Luftraum
102, der in dem Siliziumsubstrat
101 durch Ätzen definiert
ist, Dünnschichtteile,
d. h. dünnwandige
Abschnitte
103 und
104, die den Luftraum
102 überspannen,
erste und zweite Heizelemente
105 und
106 und
erste und zweite Temperaturerfassungselemente
107 und
108.
Die Heizelemente
105 und
106 und die Temperaturerfassungselemente
107 und
108 sind
aus temperaturempfindlichem Widerstandsmaterial erstellt, dessen
Widerstandswert entsprechend der Temperatur variiert. Beispielsweise
wird Platin als temperaturempfindliches Widerstandsmaterial verwendet.
Erste und zweite Heizelemente
105 und
106 werden
derart hergestellt, dass sie im wesentlichen identische Widerstandswerte
und Temperaturkoeffizienten haben. Die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente
107 und
108 werden
auch derart hergestellt, dass sie im wesentlichen identische Widerstandswerte
und Temperaturkoeffizienten haben.
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In 13 sind
das erste Heizelement 105 und das erste Temperaturerfassungselement 107 voneinander
beabstandet, um ein Verständnis
ihrer Anordnung zu erleichtern, aber sind tatsächlich an im wesentlichen identischen
Orten angeordnet, um in engem thermischen Kontakt miteinander gehalten
zu sein. In ähnlicher
Weise sind das zweite Heizelement 106 und das zweite Temperaturerfassungselement 108 voneinander
beabstandet, um das Verständnis Ihrer
Anordnung zu erleichtern, aber sie sind eigentlich an im wesentlichen
identischen Orten ausgebildet, um in engem thermischen Kontakt zueinander gehalten
zu sein.
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14 zeigt
eine Schaltung der konventionellen Fluidum-Durchsatz-Messanordnung der 13.
Die Schaltung schließt
erste Widerstände 109 und 110 ein,
die eine Brückenschaltung 117 bilden
mit den ersten und zweiten Temperaturerfassungselementen 107 und 108,
einen Komparator 111 zum Vergleichen von Zwischenpotentialen 118 und 119 der
Brückenschaltung 117,
einen Invertierer 112, elektronische Schalter 113 und 114,
eine Leistungsquelle 115 und einen Fluidum-Durchflusspfad 116. Die
konventionelle Schaltung wird folgendermaßen betrieben. Wenn eine Differenz
zwischen den Zwischenpotentialen 118 und 119 produziert
wird, falls es keinen Durchfluss von Fluidum gibt, erfasst der Komparator 116 diesen
Unterschied zwischen den Zwischenpotentialen 118 und 119,
um die elektronischen Schalter 113 und 114 zu steuern.
Wenn die festen Widerstände 109 und 110 eingestellt
sind, um einen identischen Widerstandswert zu haben, haben auch
das erste und zweite Temperaturerfassungselement 107 und 108 jeweils
einen identischen Widerstandswert und haben demnach eine identische Temperatur.
Falls es keinen Durchfluss von Fluidum gibt, werden Einschaltzustandsperioden
der elektronischen Schalter 113 und 114 identisch
zueinander und demnach wird ein Verhältnis einer dem ersten Heizelement 105 zugeführten elektrischen
Energiemenge zu der dem zweiten Heizelement 106 zugeführten 50%:50%.
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Nachfolgend
wird ein Fall beschrieben, in dem das Fluidum fließt. Wenn
das Fluidum in Richtung des Pfeils in 14 fließt, wird
die Wärme
von dem ersten Heizelement 105 und dem ersten Temperaturerfassungselement 107 zu
dem Fluidum übertragen,
so dass eine Temperatur des ersten Temperaturerfassungselements 107 abfällt. Das
Fluidum, das Wärme
von dem ersten Heizelement 105 und dem ersten Temperaturerfassungselement 107 aufgenommen
hat, überträgt an einer
stromaufwärtsgerichteten
Stelle die Wärme
an das zweite Temperaturerfassungselement 108 und demnach
steigt eine Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 108 an.
Folglich wird das Zwischenpotential 118 geringer als das
Zwischenpotential 119, und demnach ist eine Ausgangsgröße des Komparators 111 ein
Hochpegel. Entsprechend wird der Elektronikschalter 113 eingeschaltet
und demnach fließt
der elektrische Strom durch das erste Heizelement 105. Als
ein Ergebnis wird das erste Heizelement 105 durch Joule-Wärme bzw.
ohmsche Wärme
erhitzt, so dass die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 107 ansteigt.
Da das erste Heizelement 105 und das erste Temperaturerfassungselement 107 durch
den Fluidum-Durchfluss gekühlt
werden, wird eine Einschaltzustandsperiode des Elektronikschalters 113,
die ablaufen sollte, bevor das Zwischenpotential 118 das
Zwischenpotential 119 überschreitet,
länger
als die eines Falls, in dem es keinen Durchfluss von Fluidum gibt.
Zu einer Zeit, zu der das Zwischenpotential 118 angestiegen
ist, um das Zwischenpotential 119 zu übersteigen, wird der Elektronikschalter 114 eingeschaltet
und demnach fließt elektrischer
Strom durch das zweite Heizelement 106. Daher wird das
zweite Heizelement 106 durch Joule-Wärme erwärmt, um die Temperatur des
zweiten Temperaturerfassungselementes 108 anzuheben und
demnach steigt das Zwischenpotential 119 an. Da das zweite
Heizelement 106 und das zweite Temperaturerfassungselement 108 durch
den Fluidum-Durchfluss erwärmt
werden, wird eine Einschaltzustandsperiode des Elektronikschalters 114, die
ablaufen sollte bevor das Zwischenpotential 119 das Zwischenpotential 118 überschreitet,
kürzer
als die des Falles, in dem es keinen Fluidum-Durchfluss gibt. Zu
einer Zeit, zu der das Zwischenpotential 119 das Zwischenpotential 118 überschritten
hat, wird der Elektronikschalter 114 ausgeschaltet und
der Elektronikschalter 113 wird eingeschaltet, so dass
wieder elektrischer Strom durch das erste Heizelement 105 fließt.
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Durch
Wiederholen der oben erwähnten Operationen
werden die Zwischenpotentiale 118 und 119 wieder
gleichgehalten. Demnach wird, selbst wenn es einen Durchfluss von
Fluidum gibt, die Temperatur des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 107 und 108 in
gleicher Weise gesteuert. Zu dieser Zeit wird die dem ersten Heizelement 105 zugeführte Menge
elektrischer Energie größer als
die dem zweiten Heizelement 106 zugeführte. Beispielsweise ist ein
Verhältnis
der Menge von dem ersten Heizelement 105 zugeführte Energie zu
der dem zweiten Heizelement 106 zugeführte Energie 60%:40%.
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15 zeigt
eine Ausgangswellenform in den oben erwähnten Operationen der konventionellen
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
nach 13. Eine Ausgangsspannung Vout in 14 hat eine
Impulswellenform, wie in 15 gezeigt.
Wenn eine Durchflussrate des Fluidums weiter ansteigt, wird die
dem ersten Heizelement 105 zugeführte elektrische Energiemenge
stärker
angehoben. Daher nimmt in 15 ein Intervall
t1 zu und ein Intervall t2 nimmt ab. Wenn ein Unterschied d des
Tastverhältnisses
unter Verwendung der folgenden Gleichung (1) gemessen wird, kann
demnach eine Ausgangsgröße abhängig von
der Durchflussrate erhalten werden. d
= (t1 – t2)/(t1
+ t2) (1)
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16 hat
eine die Ausgangsgröße wiedergebende
Ordinatenachse und eine die Durchflussrate wiedergebende Abszissenachse
und zeigt solche Ausgangscharakteristika. Außerdem kann die Differenz d
des Tastverhältnisses
in der Gleichung (1) folgendermaßen ausgedrückt werden unter Verwendung
eines Wärmefreigabewertes
P1 des ersten Heizelementes 105 und eines Wärmefreigabewertes
P2 des zweiten Heizelementes 106. (t1 – t2)/(t1
+ t2) = (P1 – P2)/(P1
+ P2) (2)
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Wenn
ein Rückfluss
auftritt, nimmt bei dieser Technik das Intervall t1 ab und das Intervall
t2 nimmt zu, so dass die Ausgangsgröße invertiert wird und demnach
ist es möglich,
den Rückfluss
zu erfassen.
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17 zeigt
die Abhängigkeit
der Temperaturverteilung über
die Durchflussrate bei der konventionellen Durchsatz-Messanordnung nach 13.
In 17 haben die Durchflussraten v1, v2 und v3 das Verhältnis von
(0 < v1 < v2 < v3). Ein Temperaturabfall
des ersten Temperaturerfassungselementes 107, der durch
Ansteigen der. Durchflussrate bewirkt wird, wird größer als
der Temperaturanstieg des zweiten Temperaturerfassungselementes 108.
Wenn daher die Temperaturen der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108 in
gleicher Weise gesteuert werden, werden die Absolutwerte der Temperaturen
der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108 abnehmen
auf das Ansteigen der Durchflussrate. Dann kommen die Temperaturen
der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108 einer
Temperatur des Fluidums am Nächsten.
Wenn die Temperatur der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108 im
wesentlichen identisch geworden ist mit der Temperatur des Fluidums,
beeinflusst dem ersten und zweiten Heizelement 105 und 106 zugeführte Wärme nicht
die Temperaturen des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 107 und 108,
so dass es unmöglich
wird, die Durchflussrate des Fluidums zu messen. Angenommen, dass diese
Durchflussrate mit ”gesättigte Durchflussrate” bzw. ”gesättigter
Durchsatz” bezeichnet
wird, ist eine messbare Obergrenze der Durchflussrate in der konventionellen
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung die gesättigte Durchflussrate.
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18 zeigt
den Zusammenhang zwischen Temperaturänderungen der ersten und zweiten
Temperaturerfassungselemente 107 und 108 und der Durchflussrate
in der konventionellen Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
nach 13. In 18 zeigen
die Linien 121 und 122 Temperaturen der ersten
und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108 jeweils
für den
Fall, in dem die Durchflussrate des Fluidums erhöht wird ohne ein Ändern des
Tastverhältnisses
der Energieversorgung zu den ersten und zweiten Heizelementen 105 und 106,
welches Tastverhältnis
erhalten wird, wenn die Durchflussrate Null ist. Wie durch die Linie 121 gezeigt,
fällt die
Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 107 auf
das Ansteigen der Durchflussrate hin ab. Inzwischen, wie durch die
Linie 122 gezeigt, steigt die Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 108 durch
Aufnehmen von Wärme
von der stromaufwärts
gelegenen Stelle in einem Bereich geringer Durchflussrate an, aber
fällt von
einem Punkt an ab. Wenn die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 107 und 108,
die von der Durchflussrate abhängig
sind, einer isothermen Steuerung unterzogen werden, steigt die Temperatur
des ersten Temperaturerfassungselementes 107 an und die
Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 108 fällt ab,
so dass die Temperaturen des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 107 und 108 zu
einer Temperatur konvergieren, die durch die Linie 123 angegeben
wird. Der Temperaturabfall oder das Abnehmen der Temperatur des
zweiten Temperaturerfassungselementes 108 von der Linie 122 zur
Linie, 123 nimmt in dem Bereich geringer Durchflussrate zu,
wie durch eine Folge der Pfeile A und B gezeigt, aber nimmt in einem
Bereich mittlerer Durchflussrate oder darüber ab, wie durch eine Folge
der Pfeile B, C und D gezeigt. In Folge dessen, da ein Ändern eines Wärmeabführwertes
des zweiten Heizelementes 106 abnimmt, nimmt ein Ändern der
Differenz d des Tastverhältnisses
in der Gleichung (1) ebenfalls ab. Folglich hat die konventionelle
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
den Nachteil, dass die Empfindlichkeit abfällt bevor die Durchflussrate
die gesättigte
Durchflussrate erreicht.
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Desweiteren
beschreibt
US
2001/0027684 A1 ein Massenflussmessgerät und erwähnt die Verwendung von zwei
temperaturabhängigen
Heizwiderständen
und von zwei Temperatursensoren an unterschiedlichen Positionen.
Der Widerstand des einen Temperatursensors sollte mindestens um
den Faktor 10 größer sein
als der eines Heizelementes, um ein Heizen mit dem Temperatursensor
zu vermeiden und um das Heizelement und den Temperatursensor aus
der selben Kabelrolle fertigen zu können. Die gezeigten Brückenschaltungen
weisen in einem Arm der Brücke
einen Heizwiderstand und in einem anderen Arm einen Temperatursensor
auf.
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US 5,222,395 A betrifft
einen Flussmesser vom Thermotyp, der eine Brückenschaltung aufweist, die
aus einer Kombination von in Serie geschalteten Widerständen R11,
R13 und S11 und in Serie geschalteten Widerständen R12 und S12 besteht. Der Widerstand
S11 eines stromaufwärts
gelegenen Temperaturabfühlelementes
21 hat
einen um ca. eine Größenordnung
höheren
Widerstand als der Widerstand S12 eines stromabwärts gelegenen Temperaturabfühlelementes
31.
Die Widerstände
S11 und S12 sind Aktivwiderstände,
also Heizwiderstände. Somit
kann der größte Teil
des elektrischen Stroms zum Heizen des Fluidums zum stromabwärtsseitigen Widerstand
S12 fließen.
Der Zustand der Brückenschaltung
wird über
einen Komparator an einen Transistor gespeist. Der Transistor sperrt
entweder die Stromversorgung zur Brückenschaltung, als auch die Stromversorgung
zu den Heizwiderständen,
oder speist diese mit Strom.
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Entsprechend
ist ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung, im Hinblick
auf das Eliminieren der oben erwähnten
Nachteile des Standes der Technik eine Fluidum-Durchsatz-Messanordnung mit hoher
Empfindlichkeit über
den gesamten messbaren Durchflussratenbereich bereitzustellen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, 2 oder 3 gelöst.
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Eine
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung zum Messen einer Durchflussrate
eines Fluidums schließt
erste und zweite Heizelemente ein, die jeweils an stromaufwärtsgelegener
und stromabwärtsgelegener
Stelle in Flussrichtung des Fluidums angeordnet sind. Erste und
zweite Temperaturerfassungselemente sind jeweils in der Nähe des ersten
und zweiten Heizelementes angeordnet. Eine Energiequelle ist mit
dem ersten und dem zweiten Heizelement verbunden und führt elektrische
Energie zum ersten und zweiten Heizelement, um stets eine Temperatur
des ersten Temperaturerfassungselementes um einen vorbestimmten
Wert höher
anzuheben als die des zweiten Temperaturerfassungselementes, derart,
dass die Durchflussrate des Fluidums von einem Verhältnis einer
im ersten Heizelement zugeführten
Energiemenge zu der dem zweiten Heizelement zugeführten gemessen
wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Dieses
Ziel und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
Zeichnung ersichtlich, betrachtet in Verbindung mit ihren bevorzugten
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
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1 eine
Draufsicht einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht, betrachtet entlang der Linie II-II in 1;
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3 ein
Schaltungsdiagramm der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1;
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4 eine
Graphik zum Darstellen der Abhängigkeit
der Temperaturverteilung einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1 über den
Durchsatz;
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5 eine
Graphik zum Darstellen der Temperaturverteilung der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1;
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6 eine
Graphik zum Zeigen der Ausgangsgrößencharakteristika der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
nach 1;
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7 eine ähnliche
Ansicht wie 3, insbesondere eine Modifikation
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1 zeigend;
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8 eine
Graphik zum Zeigen eines Beispiels der Messung durch die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
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9 eine
Graphik zum Zeigen eines anderen Beispiels der Messung durch die
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1;
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10 eine
Draufsicht einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 ein
Schaltungsdiagramm der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 10;
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12 ein
Schaltungsdiagramm der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 eine
Schnittansicht einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung gemäß dem Stand der Technik;
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14 ein
Schaltungsdiagramm einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 13 gemäß dem Stand
der Technik;
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15 eine
Ansicht zum Zeigen einer Ausgangswellenform der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
nach 13 gemäß dem Stand
der Technik;
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16 eine
Graphik zum Zeigen einer Ausgangsgrößencharakteristik einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
gemäß dem Stand
der Technik nach 13;
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17 eine
Graphik zum Zeigen der Abhängigkeit
der Temperaturverteilung der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung der 13 gemäß dem Stand der
Technik über
den Durchsatz; und
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18 eine
Graphik zum Zeigen der Abhängigkeit
der Temperaturen der Temperaturerfassungselemente der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 13 gemäß dem Stand
der Technik über
den Durchsatz und deren Steuerung.
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Bevor
mit dem Beschreiben der vorliegenden Erfindung fortgesetzt wird,
ist zu bemerken, dass gleiche Teile quer durch verschiedene Ansichten
der beiliegenden Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nachstehend
werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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1 und 2 zeigen
eine Fluidum-Durchsatz-Messanordnung entsprechend einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
enthält
eine Isolationsschicht 3, die an einer Oberfläche eines
Siliziumsubstrats 1 bereitgestellt ist. Die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
enthält
außerdem ein
erstes Heizelement 5, ein zweites Heizelement 6, ein
erstes Temperaturerfassungselement 7 und ein zweites Temperaturerfassungselement 8,
die auf der Isolationsschicht 3 bereitgestellt sind. Das
erste Temperaturerfassungselement 7 kann an im wesentlichen
der selben Position angeordnet sein, wie das erste Heizelement 5 oder
in dessen Nähe.
In ähnlicher
Weise kann das zweite Temperaturerfassungselement 8 im
wesentlichen an der selben Position wie das zweiten Heizelement 6 bzw.
in dessen Nähe
angeordnet sein. Die ersten und zweiten Heizelemente 5 und 6 und
die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 sind
aus einem temperaturempfindlichen Widerstandsmaterial, beispielsweise Platin,
erstellt. Die ersten und zweiten Heizelemente 5 und 6 haben
im wesentlichen identische Widerstandswerte und Temperaturkoeffizienten.
Die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 haben
auch im wesentlichen identische Widerstandswerte und Temperaturkoeffizienten.
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Wie
in 2 gezeigt, enthält die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung außerdem einen Isolationsfilm 4 zum
Schützen
der ersten und zweiten Heizelemente 5 und 6 und
der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8.
An einer Oberfläche
des Siliziumsubstrats 1 entfernt von den ersten und zweiten
Heizelementen 5 und 6 und den ersten und zweiten
Temperaturerfassungselementen 7 und 8 ist eine
Höhlung 2 vorgesehen.
Durch Verwenden eines solchen Aufbaus in der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
kann die thermische Kapazität
eines Durchsatzmessabschnittes recht klein gehalten werden.
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nach 1.
Die Schaltung enthält
feste Widerstände 9 und 10,
die eine Brückenschaltung 17 mit
den ersten und zweiten Temperaturerfassungselementen 7 und 8 bilden,
einen Komparator 11 zum Vergleichen von Zwischenspannungen 18 und 19 der
Brückenschaltung 17,
einen Invertierer 12, Elektronikschalter 13 und 14,
eine Energiequelle 15 und einen Fluidum-Durchflusspfad 16.
Ein fester Widerstand 20 ist in Serie verbunden zwischen
dem zweiten Temperaturerfassungselement 8 und dem festen
Widerstand 10. Das Zwischenpotential 19 ist ein
Potential zwischen den festen Widerständen 10 und 20.
Die festen Widerstände 9 und 10 haben
einen identischen Widerstandswert.
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Dann
wird der Betrieb der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung des oben beschriebenen
Aufbaus beschrieben. In der Schaltung der 3 haben, wenn
die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung nicht betrieben wird im Falle,
in dem es keinen Durchfluss von Fluidum gibt, die ersten und zweiten
Temperaturerfassungselemente 7 und 8 im wesentlichen
identische Temperaturen. Zur Zeit des Betriebsstarts der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
haben die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 die
identischen Temperaturen und folglich im wesentlichen identische
Widerstandswerte während das
Zwischenpotential 18 niedriger wird als das Zwischenpotential 19 bedingt
durch den festen Widerstand 20. Daher ist ein Ausgangs
des Komparators 11 auf hohem Pegel, sodass der Elektronikschalter 13 eingeschaltet
wird und demnach elektrischer Strom durch das erste Heizelement 5 fließt. Entsprechend
wird das erste Heizelement 5 erwärmt durch die ohmsche Wärme, um
eine Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 anzuheben
und demnach steigt das Zwischenpotential 18 an. Wenn das
Zwischenpotential 18 das Zwischenpotential 19 überschreitet,
erhält
der Ausgang des Komparators 11 Niedrigpegel, sodass ein
Ausgang des Invertierers 12 auf Hochpegel kommt und demnach
der Elektronikschalter 14 eingeschaltet wird. Als ein Ergebnis hiervon
wird, da elektrischer Strom durch das zweite Heizelement 6 fließt, eine
Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 angehoben
durch die ohmsche Wärme
des zweiten Heizelementes 6 und demnach steigt das Zwischenpotential 19 an. Wenn
das Zwischenpotential 19 das Zwischenpotential 18 übersteigt,
kommt der Ausgang des Komparators 11 auf Hochpegel, sodass
das erste Heizelemente beheizt wird. Durch Wiederholen dieses Betriebs wird
eine derartige Steuerung durchgeführt, dass die Zwischenpotentiale 18 und 19 einander
identisch werden. Wenn die Zwischenpotentiale 18 und 19 einander
identisch sind, ist ein Widerstandswert R7 des ersten Temperaturerfassungselementes 7 gegeben durch
die folgende Gleichung R7 = R8 × R9/R10
+ R20 × R9/R10wobei
R8 ein Widerstandswert des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 ist
und R9, R10 und R20 jeweils Widerstandswerte der festen Widerstände 9, 10 und 20 sind.
Aus dem Zusammenhang von (R9 = R10) wird die folgende Gleichung
(3) erhalten. R7 = R8 + R20 (3)
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Wie
aus Gleichung (3) zu ersehen ist, ist der Widerstandswert R7 des
ersten Temperaturerfassungselementes 7 größer als
der Widerstandswert R8 des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 durch
den Widerstandswert R20 des festen Widerstandes 20. Die
Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 wird
nämlich
höher gehalten als
die Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 um
eine vorbestimmte Temperatur. Diese vorbestimmte Temperaturdifferenz
kann eingestellt werden durch den Widerstandswert R20 des festen
Widerstandes 20.
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Nachfolgend
werden die Betriebscharakteristika der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung dieser Ausführungsform
beschrieben. 4 mit einer die Temperatur wiedergebenden
Koordinatenachse und einer den Durchsatz wiedergebenden Abszissensachse
zeigt die Abhängigkeit
der Temperaturverteilung der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung von
dem Durchsatz und ihrer Steueroperation. 5 mit einer
die Temperatur wiedergebenden Koordinatenachse und einer die Position
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung der Ausführungsform entlang der Flussrichtung
des Fluidums wiedergebenden Abszissenachse zeigt die Temperaturverteilung
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung während 6 mit einer
die Ausgangsgröße wiedergebenden
Koordinatenachse und einer den Durchsatz wiedergebenden Abszissenachse
die Ausgangscharakteristika der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
dieser Ausführungsform
zeigt.
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Falls
es keinen Durchfluss von Fluidum gibt, ist die Temperatur des ersten
Temperaturerfassungselementes, die zu einer Zeit erhalten wird,
wenn die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 höher gehalten
wird als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8,
höher als
die des ersten Temperaturerfassungselementes 7, die zu
einer Zeit erhalten wird, wenn die Temperatur des ersten und zweiten
Temperaturerfassungselementes 7 und 8 identisch
zueinander gehalten werden. Wenn Fluidum in Richtung des Pfeils
in 3 fließt
in einem Zustand, wenn die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 höher gehalten
wird als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8,
wird folglich mehr Wärme
von einer Stelle stromaufwärts
zu einer Stelle stromabwärts
in Richtung des Durchflusses des Fluidums übertragen als in dem Fall,
in dem die Temperaturen des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 identisch
zueinander gehalten werden. Demnach, wie in 4 gezeigt,
setzt die Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 an
der Stelle stromabwärts
ein Ansteigen fort zu einer größeren Durchflussrate
als in dem Fall, in dem die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 zueinander
identisch gehalten werden. In 4 zeigen in
Linien 21 und 22 die Abhängigkeit der Temperatur der
ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 über den
Durchsatz jeweils erhalten in dem Fall, in dem elektrische Energie
dem ersten und zweiten Heizelement 5 und 6 zugeführt wird
bei einem Tastverhältnis
zum Aufrechterhalten einer Differenz zwischen den Temperaturen des
ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 zu einer
Zeit, wenn die Durchflussrate ”Null” ist.
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Wenn
in diesem Zustand Konstanttemperaturdifferenz-Steuerung durchgeführt wird,
steigt die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 zu
einer Linie 23a an und die Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 fällt zu einer
Linie 23b ab bis eine Temperaturdifferenz des ersten und
zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 einen
voreingestellten Wert erreicht. Selbst wenn die Durchflussrate zunimmt
wird diese Temperaturdifferenz aufrecht erhalten. Da die Wärme durch
das fließende
Fluidum aufgenommen wird wenn die Durchflussrate zunimmt, hängt jedoch
die Temperaturverteilung der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung von der Durchflussrate
ab, wie in 5 gezeigt. In 5 haben
Durchflussraten v1, v2 und v3 den Zusammenhang von (0 < v1 < v2 < v3). Sowie die
Durchflussrate zunimmt fallen die Temperaturen des ersten und zweiten
Temperaturerfassungselementes 7 und 8 ab. Mit
zunehmender Durchflussrate kommt die Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 demnach
am nächsten
der des Fluidums. Unterdessen, wenn die Durchflussrate einen vorbestimmten
Wert erreicht oder übersteigt, überschreitet
die von dem ersten Temperaturerfassungselement 7 absorbierte
Wärmemenge
die von dem ersten Heizelement 5 zugeführte und demnach kann die Temperaturdifferenz
des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 nicht
beibehalten werden. Es ist unmöglich,
die Durchflussrate unterhalb einer Durchflussrate zu messen, bei
der die Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Temperaturerfassungselementen 7 und 8 nicht
aufrecht erhalten werden kann. Angenommen, dass diese Durchflussrate
als eine ”gesättigte Durchflussrate” bzw. ein ”gesättigter
Durchsatz” bezeichnet wird,
ist ein messbarer oberer Grenzwert der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung die
gesättigte Durchflussrate.
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Wie
in 4 gezeigt, nimmt das Sinken der Temperatur des
zweiten Temperaturerfassungselementes 8 fortgesetzt zu
auf eine Zunahme der Durchflussrate, wie durch eine Folge der Pfeile
A, B, C und D gezeigt. Angenommen, dass die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
Ausgangscharakteristika hat mit Intervallen t1 und t2, wie in 15 gezeigt,
wird eine Differenz d des Tastverhältnisses ausgedrückt durch
die folgende Gleichung (4) identisch zur Gleichung (1), die früher erwähnt worden
ist. d = (t1 – t2)/(t1 + t2) (4)
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Da
der Wärmeabgabewert
des zweiten Heizelementes 6 sich auch stark mit Zunahme
der Durchflussrate ändert, ändert sich
die Differenz d des Tastverhältnisses,
die durch die Gleichung (4) ausgedrückt worden ist, auch stark.
Als ein Ergebnis, wie in 6 gezeigt, wird die Empfindlichkeit
der Durchflussrate in der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung über den
gesamten Messbaren Durchflussratenbereich verglichen zum Stand der
Technik erhöht.
Speziell in dem Fall, in dem die Temperaturen der ersten und zweiten
Temperaturerfassungselemente 7 und 8 identisch
zueinander gehalten werden, wird der Effekt bei großen Durchflussraten
deutlich, bei denen der Änderungsbetrag
der Temperatur des zweiten Temperaturerfassungselementes abnimmt.
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7 ist
ein Schaltungsdiagramm einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung, die eine Modifikation
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
gemäß 1 ist.
Obwohl die ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 in
einem oberen Abschnitt der Brückenschaltung 17 angeordnet
sind und der feste Widerstand 20 in Serie verbunden ist
zwischen dem festen Widerstand 9 und dem Zwischenpotential 18,
funktioniert die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung in 7 in
der selben Weise wie die der 1. Die festen
Widerstände 9 und 10 haben
den identischen Widerstandswert wie oben beschrieben. Daher hat
unter der Annahme, dass die festen Widerstände 9 und 20,
die mit dem ersten Temperaturerfassungselement 7 in Serie
verbunden sind, einen ersten Widerstandsabschnitt bilden und der
feste Widerstand 10, der mit dem zweiten Temperaturerfassungselement 8 in
Serie verbunden ist, einen zweiten festen Widerstandsabschnitt bildet,
der erste feste Widerstandsabschnitt einen Widerstandswert, der größer ist als
der des zweiten festen Widerstandsabschnittes. Da andere Konfigurationen
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung ähnlich sind denen der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
der 1, wird die Beschreibung aus Gründen der
Knappheit verkürzt.
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Unterdessen,
wenn der Zusammenhang der Gleichung (3) erhalten wird und in einem
Schaltungsaufbau die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 höher gehalten
wird als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8,
können in
dem Schaltungsaufbau ähnliche
Effekte erzielt werden, selbst wenn der Schaltungsaufbau sich von dem
der 3 bzw. 7 unterscheidet.
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Da
die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 dieser
Ausführungsform
höher gehalten
wird als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8,
wird die Empfindlichkeit der Durchflussrate in der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung speziell
bei einem großen
Durchsatz über einen
gesamten messbaren Durchsatzbereich verbessert, verglichen mit einem
Fall, bei dem die Temperaturen des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 identisch
zueinander gehalten werden.
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Unterdessen
wird in dieser Ausführungsform,
um die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 höher zu halten
als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8, auch
in dem Fall, in dem kein Durchfluss von Fluidum vorliegt, dem ersten
Heizelement 5 eine größere Menge elektrischer
Energie zugeführt
als dem zweiten Heizelement 6, wenn die Durchflussrate ”Null” ist. Wenn die
Durchflussrate ”Null” ist, wird
daher, wie in 6 gezeigt, eine Vorspannung
bzw. Bias-Spannung V0 generiert. Da der Bedarf einer Bias-Schaltung, die beim
Stand der Technik bereitzustellen war, eliminiert worden ist, können auch
solche Effekte wie das Reduzieren von Schaltungsabmessungen und
das Absenken der Produktionskosten erzielt werden.
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Zwei
Beispiele des Messens der Durchflussrate des Fluidums durch die
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung der ersten Ausführungsform werden unten beschrieben. 8 richtet
sich auf ein Beispiel des Messens der Durchflussrate des Fluidums
durch die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung und zeigt den Zusammenhang
zwischen dem Durchsatz zu einer Zeit einer Versorgungsspannung von
5 V und einer Ausgangsspannung Vout in 3. Diese
Grafik behandelt Fälle,
in denen eine Temperaturdifferenz der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 0°C, 13°C und 25°C ist. Aus
der Grafik ist zu verstehen, dass die Empfindlichkeit zur Zeit einer
Temperaturdifferenz von 13°C
und 25°C
höher ist als
zur Zeit, wenn es keine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten
und zweiten Temperaturerfassungselement 7 und 8 gibt.
Aus der Grafik ist auch zu verstehen, dass die Ausgangsspannung
Vout bei 150 g/s gesättigt
ist zur Zeit der Temperaturdifferenz von 25°C. Der Grad des Ansteigens dieser
Empfindlichkeit hängt
ab von der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperaturerfassungselement 7 und 8.
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Unterdessen
zeigt 9 den Zusammenhang zwischen der Temperaturdifferenz,
dem Durchsatz wenn die Ausgangsspannung gesättigt ist und dem Empfindlichkeitsanstiegsverhältnis zur
Zeit einer Versorgungsspannung von 5 V und einem Durchsatz von 10
g/s. Aus dem Zusammenhang zwischen Temperaturdifferenz, Durchsatz
wenn eine Ausgangsspannung gesättigt
ist und Empfindlichkeitszunahmeverhältnis in 9 kann
ein geeigneter Temperaturdifferenzbereich eingestellt werden.
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Im
dem Falle einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung zur Verwendung in
einem Motorfahrzeug sind nicht mehr als 1% benötigt für eine Reproduzierbarkeit der
Messwerte. Wenn das Empfindlichkeitsanstiegsverhältnis kleiner als 1% ist, können die
Vorteile der vorliegenden Erfindung nämlich nicht wirksam sein. Das
Empfindlichkeitsanstiegsverhältnis sollte
daher bei mehr als 1% gewählt
werden (1. Bedingung). Da die Empfindlichkeit niedriger wird gemäß der kleiner
werdenden Durchflussrate ist unterdessen eine messbare untere Grenze
des Durchsatzes 0,5 g/s. Außerdem
sollte ein Dynamikbereich der Messwerte mindestens 200-fach sein.
Da der messbare untere Grenzwert des Durchsatzes 0,5 g/s ist, sollten
zumindest 100 g/s messbar sein bei einer großen Durchflussrate (2. Bedingung).
Basierend auf diesen beiden Bedingungen liegt eine wirksame Temperaturdifferenz
zwischen dem ersten und zweiten Temperaturerfassungselementen 7 und 8 in
einem bereich zwischen 5°C
bis 26°C
in dem Falle der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
zur Verwendung in einem Motorfahrzeug.
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(Zweite Ausführungsform)
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10 zeigt
eine Fluidum-Durchsatz-Messanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In dieser Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
ist ein Widerstandswert des ersten Temperaturerfassungselementes 7 kleiner eingestellt
als der des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 bei
einer spezifischen Temperatur von beispielsweise 0°C. Unterdessen
haben die festen Widerstände 9 und 10 den
identischen Widerstandswert in der selben Weise, wie bei der ersten Ausführungsform.
Beispielsweise durch Erstellen einer größeren Musterbreite des ersten
Temperaturerfassungselementes 7 als der des zweiten Temperaturerfassungselementes 8,
kann der Widerstandswert des ersten Temperaturerfassungselementes 7 kleiner
gemacht werden als der des zweiten Temperaturerfassungselementes 8.
Es braucht nicht erwähnt
zu werden, dass der Widerstandswert des ersten Temperaturerfassungselementes 7 kleiner
sein kann als der des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 durch Ändern einer
Länge oder
einer Dicke des ersten Temperaturerfassungselementes 7 relativ zu
der des zweiten Temperaturerfassungselementes 8.
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Der
Widerstandswert R7 des ersten Temperaturerfassungselementes 7 und
der Widerstandswert R8 des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 kann
ausgedrückt
werden als Funktion der Temperatur wie folgt: R7 = R70(1 – αT7) (5) R8 = R80(1 + αT8) (6)
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Wobei
R70 und R80 jeweils Widerstandswerte des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 bei
einer Temperatur von 0°C sind, α ein Temperaturkoeffizient
des Widerstandes des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 ist
und T7 und T8 jeweils Temperaturen des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 sind.
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Wie
oben beschrieben sind die Widerstandswerte R70 und R80 der ersten
und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 bei
der spezifischen Temperatur von 0°C
festgelegt wie folgt. R70 < R80 (7)
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Wenn
diese Fluidum-Durchsatz-Messanordnung in Kombination mit einer Schaltung
nach 11 betrieben wird, wird die Steuerung identisch zu
der der ersten Ausführungsform
ausgeführt
derart, dass die Zwischenpotentiale 18 und 19 identisch
gehalten werden zueinander. Zu dieser Zeit werden in dem Fall, in
dem die Widerstandswerte der festen Widerstände 9 und 10 identisch
zueinander gewählt worden
sind, die Widerstandswerte R7 und R8 der ersten und zweiten Temperaturerfassungselemente 7 und 8 identisch
zueinander wie folgt. R7 = R8 (8)
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Demnach
wird aus den obigen Gleichungen (5) und (6) die folgende Gleichung
(9) erhalten. T7 = (R80/R70)T8 +
(R80/R70 – 1)/α (9)
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Aus
der obigen Gleichung (7) wird der folgende Zusammenhang erhalten. R80/R70 > 1 (10)
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Demnach
wird aus den obigen Gleichungen (9) und (10) der folgende Zusammenhang
erhalten. T7 > T8 (11)
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Aus
der Gleichung (11) ist zu erkennen, das die Temperatur T7 des ersten
Temperaturerfassungselementes 7 höher gehalten wird als die Temperatur
T8 des zweiten Temperaturerfassungselementes 8. Als ein
Ergebnis hiervon kann in der selben Weise wie bei der ersten Ausführungsform
der Umfang der Temperaturänderung
des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 groß gehalten
werden, sodass ein solcher Effekt, wie die Verbesserung der Empfindlichkeit
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung erzielt werden kann.
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Indessen
ist in der zweiten Ausführungsform durch
Festlegen der Widerstandswerte des ersten und zweiten Temperaturerfassungselementes 7 und 8 unterschiedlich
voneinander zur Zeit der Herstellung der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung das
Bereitstellen eines zusätzlichen
festen Widerstands in der Schaltung nicht erforderlich, sodass die
Fluidum-Durchsatz-Messanordnung leicht bei niedrigen Kosten hergestellt
werden kann.
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(3. Ausführungsform)
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12 ist
ein Schaltungsdiagramm einer Fluidum-Durchsatz-Messanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der Schaltung ist ein Differenzverstärker 25 mit dem
Zwischenpotential 18 verbunden und eine Vorspannungsspannung
bzw. Bias-Spannung 26 wird von dem Zwischenpotential 18 subtrahiert.
Vier feste Widerstände 24 sind
eingestellt auf einen identischen Wert und der Differenzverstärker 25 hat
eine Verstärkung
von 1. Demnach ist eine an einem Eingangsanschluss des Komparators 11 angelegte
Spannung ein durch subtrahieren der Bias-Spannung 26 (Vbias) von
dem Zwischenpotential 18 (V18) erhaltener Spannungswert
während
das Zwischenpotential 19 (V19) am anderen Eingangsanschluss
des Komparators 11 angelegt wird. Währenddessen haben die festen
Widerstände 9 und 10 identische
Widerstandswerte in der selben Weise wie bei der ersten Ausführungsform.
Demnach wird beim Betreiben der Schaltung nach 12 die
Steuerung derart durchgeführt, dass
der folgende Zusammenhang erhalten wird. V18 – Vbias
= V19 (12)
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Die
Steuerung wird nämlich
derart durchgeführt,
dass das Zwischenpotential 18 größer ist als das Zwischenpotential 19.
Um das Zwischenpotential 18 größer zu machen als das Zwischenpotential 19, sollte
der Widerstandswert des ersten Temperaturerfassungselementes 7 größer gewählt werden
als der des zweiten Temperaturerfassungselements 8. Daher
wird die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes 7 höher gehalten
als die des zweiten Temperaturerfassungselementes 8. Als
ein Ergebnis hiervon kann in der selben Weise wie bei der ersten
Ausführungsform
der Betrag der Temperaturänderung
des zweiten Temperaturerfassungselementes 8 groß gehalten
werden, sodass ein solcher Effekt wie das Verbessern der Empfindlichkeit
der Fluidum-Durchsatz-Messanordnung erzielt werden kann. In 12 wird
die Bias-Spannung 26 von der Zwischenspannung 18 abgezogen,
doch es braucht nicht erwähnt
zu werden, dass die selbe Wirkung auch erzielt werden kann in einem
Aufbau, bei dem eine Bias-Spannung zu dem Zwischenpotential 19 hinzugefügt wird.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, wird, da die Fluidum-Durchsatz-Messanordnung
der vorliegenden Erfindung das erste Heizelement angeordnet an einer
stromaufwärtsgelegenen Stelle
in Richtung des Durchflusses des Fluidums einschließt, das
erste Temperaturerfassungselement gebildet in der Nähe des ersten
Heizelementes, das zweite Heizelement, angeordnet an einer Stelle stromabwärts in Richtung
des Durchflusses des Fluidums, das zweite Temperaturerfassungselement ausgebildet
in der Nähe
des zweiten Heizelementes und die Energiequelle, die mit den ersten
und zweiten Heizelementen verbunden ist und den ersten und zweiten
Heizelementen derart Energie zuführt,
dass die Temperatur des ersten Temperaturerfassungselementes jederzeit
höher ist
als die des zweiten Temperaturerfassungselementes derart, dass die
Durchflussrate des Fluidums aus einem Verhältnis der Menge der dem ersten
Heizelement zugeführten elektrischen
Energie zu der dem zweiten Heizelement zugeführten elektrischen Energie
gemessen wird ein solch spürbarer
Effekt erzielt, dass die Empfindlichkeit der Durchflussrate verbessert
wird über einen
gesamten messbaren Durchflussratenbereich.